今日凌晨，世界上第一颗量子科学实验卫星“墨子”在酒泉卫星发射中心发射成功。接下来，如果实验成功，中国将成为世界上第一个实现卫星和地面之间量子通信的国家。而卫星和地面能够实现通信的关键技术，正是来自四川，来自中国科学院光电技术研究所承担的“星地量子通信地面光学通信终端系统的研制和试验”。

　　 “四川造”核心技术连通天地

　　8月16日凌晨，随着世界上第一颗量子科学实验卫星发射，分布在全国各地的五个地面站望远镜也开始执行“地面与卫星通信”任务。卫星加地面望远镜，共同构成了量子科学实验卫星系统，其中的四个地面望远镜，由位于成都的中国科学院光电技术研究所研制。

　　据了解，要实现量子通信，地面望远镜必须实现对星上信标光“针尖对麦芒”式的跟踪与对准。因此，作为量子激光通信系统的核心组成部分，中科院光电所研制的地面望远镜，正是通过发射信标光准确覆盖量子卫星，并快速捕获高精度跟踪星上信标，来建立并稳定维持天与地的通信链路。

　　量子科学实验卫星望远镜分系统相关负责人介绍，当卫星从地面站上空经过的时候，地面站将发射一束直径不到5毫米的激光光束覆盖卫星所在区域。卫星接收到激光信号后，会立即反馈另一束激光信号给地面站，随后地面站根据卫星返回的激光信号进行捕获跟踪，光路对接任务就算完成，此时卫星就可以与地面进行既定的各种测试。

　　过去三年，在承担“星地量子通信地面光学通信终端系统的研制和试验”过程中，中科院光电所投入20人团队，在河北兴隆、青海德令哈、云南丽江、新疆南山，研制和改造了四台直径一米以上的观测望远镜，主要完成星地量子密钥分发实验、星地量子纠缠实验、星地相干激光通信实验等。

　　这四台望远镜的研制改造，标志着中科院光电所在国际上首次研制完成宽光谱、高效率、高保偏、高精度的望远镜光学系统，速度动态范围大、抗扰能力强的望远镜伺服控制系统以及工作状态可配置的望远镜操控系统，在同一台望远镜上可同时完成量子通信、相干激光通信的实验任务以及天文观测任务，其中跟踪精度、指向精度和信号光高保偏等，达到国际领先水平。

　　说了那么多，还有一个问题没解释：量子通信是什么?

　 　量子是什么：这个世界就是量子组成的

　　要解释量子通信，还得先从量子和量子理论说起。

　　量子是一个能量的最小单位，所有的微观粒子(包括分子、原子、电子、光子)都是量子的一种表现形态。量子具有不可精确测量、不可分割、不可复制的特点。我们的世界是由微观粒子组成的，因此在某种意义上，世界本身就是由量子组成的。

　　量子理论产生于上世纪初，是现代物理学的两大基石之一。量子理论的一个基本理论是“量子叠加态”，对这个理论较为通俗的解释被表述为“薛定谔的猫”：密封的箱子里面有一只猫，在宏观世界中，猫只能有一种状态，生或者死，但是在微观世界中，在没有打开箱子之前，这只猫处于生和死的叠加态，而打开箱子的动作(相当于对它的测量)会直接决定箱子中的猫的状态。

　　量子，被爱因斯坦称为“遥远地点之间的诡异互动”，它很难测准，又不可复制，但处于纠缠态的一对粒子，无论相距多远，都能互相感知和影响。用来做计算机，它能让目前使用的密码瞬间失效;用于通信，又可以做到“绝对安全”。

　　 量子通信：一种绝对安全的通信方式

　　量子力学的一个重要的应用领域是量子通信，量子通信是迄今为止被证明的唯一的绝对安全的通信方式。量子通信内涵很广泛，量子隐形传态、量子保密通信、量子密集编码等都属于量子通信领域。本次发射的量子科学实验卫星需要完成的任务有这样四个：面向既定科学目标，完成量子密钥分发、广域量子密钥网络、量子纠缠分发和量子隐形传态。

　　先说量子密钥。在量子保密通信过程中，发送方和接收方采用单光子的状态作为信息载体来建立密钥。窃听者想窃听的话，必须要对光子进行复制、切割或者测量，但这与量子本身的特性是相违背的。此外，根据量子叠加态原理，任何对量子的测量行为都会改变量子的状态，接受者可以据此判断量子在传送途中是否被测量过。因而，量子通信也被称为窃听者的噩梦。

　　在量子世界中，还有一种现象被称为“量子纠缠”。处于纠缠状态的两个或以上的量子，无论相距多远，其中一个量子的状态发生变化，其他的都会立刻发生相应的变化。爱因斯坦称这一现象为“鬼魅般的远距作用”，科学家至今还不能解释这一现象，对这一现象的验证只停留在较短的距离上，而本次“墨子”的一个重要的任务就是要验证量子纠缠现象在更远的距离上是否存在。

　　在解释量子隐形传态时，中国科学院院士潘建伟曾这样比喻过，一个人怎样才能在三分钟的时间里从北京赶到上海?如果上海和北京之间存在着某种纠缠关系，那就可以利用这种纠缠关系瞬间将他从北京传送到上海，这听起来有些像孙悟空的筋斗云一样，但在理论上是可行的。

　 　量子通信技术的产业化：前景可期但进展缓慢

　　从国家的层面看，利用量子通信技术，我国的信息技术水平和信息产业的核心竞争力将得到实质性提升，国防、金融、政务、商业等领域的信息安全问题也将得到彻底解决。

　　而从产业的角度看，通信安全是每个人都需要的，而量子通信能够给我们带来绝对的通信安全，因此，有业内人士分析认为，量子通信产业未来空间广阔。

　　不过截至目前，量子通信仍处于商业化应用层面的初级阶段，国内涉及量子信息领域的企业尚为数不多，因此产业一片蓝海、竞争格局未定，产业前景可期但进阶较为缓慢。

　　 “不到十年，中国的量子通信技术领先于欧美”

　　早在2012年12月，《自然》杂志就曾评论道，“在量子通信领域，中国用了不到10年的时间，由一个不起眼的国家发展成为现在的世界劲旅，将领先于欧洲和北美。”

　　在科学实验以及理论研究方面，潘建伟及其研究团队取得了一系列重要突破，是这个领域内多项世界纪录的创造者。公开资料显示，潘建伟及其团队取得的成就有：首次实现三、四、五、六、八光子纠缠，先后实现绝对安全距离超过100公里和200公里的量子密钥分发及全通型量子通信网络，首次实验实现量子隐形传态及纠缠交换、终端开放的量子隐形传态、复合系统量子隐形传态、16公里自由空间量子隐形传态等等。其团队的研究项目“多光子纠缠干涉度量学”的成果2012年发表在国际知名的科学杂志《自然》上，2015年获得了国家自然科学奖一等奖。

　　在地面光纤网络建设中，公开报道显示，2012年初,合肥市建成了国际上首个规模化城域量子通信网络。2013年,在国家发改委支持下,中科院联合相关部门启动了千公里光纤量子通信骨干网工程“京沪干线”项目。目前，这一项目的合肥、济南、北京节点都已建成,上海节点正在建设,预计2016年底整个项目将交付使用。

　　发展量子通信技术的最终目标是要实现覆盖全国乃至全球量子通信网络，但实现这一目标必须要通过自由空间光子传输来实现。量子在地面传输的过程中会受到地面障碍物、地表曲率、地面气象等条件的限制，无法实现远距离的传输。而在光纤网络中传输的时候，量子会不断被光纤网络吸收，数量不断减少。因此，若想建成覆盖全国乃至全球量子通信网络，必须结合星间星地通信和载人飞船技术。此次我国发射的量子科学实验卫星是构建全球量子通信网络中重要的一步。(黄大海 记者 张岚)

　　

本文来源: 人民政府

16.08.2016  19:03